DE60120647T2 - Turbolader mit integriertem abgasrückführungsventil - Google Patents
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Description
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- Querverweis zu verwandten Anmeldungen
- Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 60/186,647, eingereicht am 03.03.2000, mit dem gleichen Titel wie die vorliegende Anmeldung.
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Abgasrückführungssysteme (AGR-Systeme) und insbesondere ein AGR-Ventil, das in einen Turbolader integriert ist, wobei ein Ventileinlass in das Turbinengehäuse gegossen ist und ein Betätigungssystem direkt an dem Turbolader angebracht ist.
- Beschreibung des Standes der Technik
- Kommerzielle Diesel-AGR-Systeme benötigen ein AGR-Ventil zum Steuern des Abgasstromes in den Einlasskrümmer. Kommerzielle Diesel-AGR-Systeme sind durch sehr beengte Platzverhältnisse bezüglich der Unterbringung des AGR-Systems im Rahmen der vorgegebenen Fahrzeugabmessungen sowie durch Empfänglichkeit des AGR-Systems für Druckverluste und Kraftstoffverbrauch gekennzeichnet.
- Existierende AGR-Systeme sind in der Regel unter Verwendung separater Komponenten für jedes Element des Systems konfiguriert. Dieses Konzept erlaubt keine Optimierung des Systems hinsichtlich der oben genannten Anforderungen.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung widmet sich der kompakten Gestaltung und dem Druckverlust von AGR-Systemen, was zu einem minimierten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs führt. Ein AGR-Ventil wird in einer kompakteren Weise in ein Turbolader-Turbinengehäuse integriert als eine separate AGR-Ventilbaugruppe (was bei den Bauteillieferanten die typischere Variante ist). Außerdem ist das AGR-Ventil so angeordnet, dass die Druckverluste des AGR-Systems minimiert werden (im Verhältnis zum AGR-Ventil). Dies wird durch Ausnutzung des dynamischen Drucks erreicht, der mit dem Turbineneinlassstrom verbunden ist. Das Design der AGR-Ventil-Integration bietet "unbegrenzte" Flexibilität bei der Ausrichtung des AGR-Ventilauslasses relativ zur Mittelachse des Turboladers. Dieses Merkmal trägt maßgeblich zur kompakten Gestaltung des AGR-Systems entsprechend den Installationsbeschränkungen innerhalb des Fahrzeugs bei. Das Design des AGR-Ventils eignet sich bestens für diesen Kompaktheitsvorteil. Die Erfindung bedient sich eines "Schwenkventil"-Designs. Eine AGR-Anschlussöffnung ist dergestalt in das Turbolader-Turbinengehäuse gegossen, dass die Gasdynamik des Motorenabgases, das in das Turbinengehäuse eintritt, den Abgasstrom in das AGR-System ergänzt, wodurch die Druckverluste des AGR-Systems verringert werden. Das AGR-Ventil ist dergestalt an dem Turbinengehäuse angebracht, dass die Abgasöffnung vom AGR-Ventil in einer unendlichen Anzahl von Richtungen ausgerichtet sein kann, ohne den Turbolader, das Turbinengehäuse oder die AGR-Ventil-Unterbaugruppe umkonstruieren zu müssen.
- Das AGR-Ventil-Stellglied und die zugehörige Stellglied-Montagehalterung sind zu einer Unterbaugruppe kombiniert, die an dem Turbolader angebracht wird, wodurch die AGR-Ventil-Abgasöffnung in die Richtung ausgerichtet werden kann, die für den Verbund aus AGR-System und Motor am besten geeignet ist.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Den Wert dieser und weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erkennt man, wenn man sie anhand des Studiums der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser versteht.
-
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Verbrennungsmotors mit einem AGR-System unter Nutzung eines Turboladers mit einem integrierten AGR-Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung. -
2 ist eine bildhafte Ansicht einer Ausführungsform eines Turboladers mit einem integrierten AGR-Ventil, das die vorliegende Erfindung beinhaltet. -
3 ist eine weggeschnittene Ansicht des Ventiltellers und des Stellgliedes für das AGR-Ventil von2 . -
4 ist eine Draufsicht auf den Turbolader, der in2 offenbart ist. -
5 ist eine Endansicht des Turboladers, der in2 offenbart ist. -
6 ist eine Schnittansicht des Turbinengehäusegussteils des Turboladers, der in2 offenbart ist. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Wenden wir uns nun
1 zu, wo ein AGR-System schematisch in einem Verbrennungsmotor mit einem Turbolader und einem AGR-System veranschaulicht ist. Ein Motor10 enthält einen Einlasskrümmer12 und einen Abgaskrümmer14 . Bei der veranschaulichten Ausführungsform enthält der Motor einen Turbolader16 , der allgemein eine Turbine, die in einem Gehäuse18 untergebracht ist, und einen Kompressor, der in einem Gehäuse20 untergebracht ist und dem Verdichten der Einlassluft des Motors10 dient, aufweist. Die Einlassluft wird während des Verdichtens durch den Turbolader erwärmt und muss gekühlt werden, um die Anforderungen, die an Lebensdauer und Leistung des Motors gestellt werden, zu erfüllen. Diese Kühlung wird dadurch erreicht, dass man die Luft, die den Turbolader16 verlässt, über herkömmliche Kanäle oder Leitungen24 in einen Ladeluftkühler (LLK)22 leitet. Die Einlassluft wird dann vom LLK über herkömmliche Kanäle oder Leitungen30 zum Einlasskrümmer des Motors geleitet. - Der Motor
10 enthält außerdem ein AGR-System. Das AGR-System enthält ein Steuerventil34 , das gemäß der vorliegenden Erfindung in den Turbolader integriert ist und das den Anteil an Abgas regelt, der vom Abgaskrümmer entnommen wird und entweder in das Einlasssystem des Motor zurückgeführt wird, um mit der Einlassluft vermischt zu werden, die durch den LLK geströmt ist, oder zur Turbine des Turboladers geleitet wird. Das Steuerventil34 leitet einen Anteil des Abgases, das vom Abgaskrümmer in das Turbinengehäuse gelangt ist, durch das AGR-System. - Das AGR-System enthält einen am Motor angebrachten AGR-Kühler
38 oder Wärmetauscher zum Kühlen des Abgases, das durch das System strömt. Durch Anordnen eines Wärmetauschers in der AGR-Leitung oder dem AGR-Kanal40 wird der Wirkungsgrad des Motors10 verbessert. Weitere Vorteile, wie beispielsweise eine Verringerung des Stickoxid- und Rußpartikelausstoßes und des Kraftstoffverbrauchs, ergeben sich ebenfalls aus dem Vorhandensein des Wärmetauschers38 . Das Abgas, das durch den Wärmetauscher38 strömt, wird dann mit der Einlassluft, die durch den LLK geströmt ist, in einem AGR-Mischer42 zusammengeführt. Das Gemisch aus Einlassluft und Abgas verlässt den Mischer42 und tritt in den Einlasskrümmer des Motors ein. - Eine Düse
44 mit variabler Geometrie in dem Turbolader dient der Herstellung eines Staudrucks in dem Turbinengehäuse-Einlass- und -Abgaskrümmer. - Die
2 ,4 und5 zeigen den Turbolader16 , der die vorliegende Erfindung beinhaltet, in gröberem Detail. Das Turbinengehäuse18 enthält einen Einlass50 vom Abgaskrümmer des Motors. Abgas, das in den Einlass eintritt, strömt in einen Torus oder eine Spirale52 . Ein AGR-Auslass54 von der Spirale ist in das Turbinengehäuse gegossen, wie in6 gezeigt. Die Anordnung und die Ausrichtung des AGR-Auslasses tangential zur Spirale und im wesentlichen linear entlang des Stromes, der in den Turbinengehäuse-Einlass eintritt, minimiert die Druckverluste für den extrahierten AGR-Strom. Es ist ein Flansch56 vorgesehen, um die AGR-Ventilbaugruppe, die in3 im Detail gezeigt ist, zu montieren. - Das AGR-Ventil enthält einen Teller
58 , der mittels eines Armes60 an einer Achse62 montiert ist, um den Teller von einer geschlossenen Position an einem Sitz64 , der in6 gezeigt ist, am Ausgang des AGR-Auslasses in eine offene Position zu schwenken, wobei der Teller in eine Kammer66 in dem Ventilgussteil68 gedreht wird. Das Ventilgussteil enthält einen gebohrten Vorsprung70 , der die Achse aufnimmt, und einen Gegenflansch71 für den Flansch56 am Turbinengehäuse. Bei der gezeigten Ausführungsform enthält das Ventilgussteil ein Knie72 , das in einem Flansch74 zum Anbringen an der AGR-Leitung40 endet. Ein pneumatisches Stellglied76 ist mittels einer Halterung78 an dem Ventilgussteil angebracht und beinhaltet einen Betätigungsarm80 , der mit einer Kurbel82 verbunden ist, die sich von der Achse erstreckt. - Der Gegenflansch ist mit dem Flansch
56 mittels Maschinenschrauben84 verbunden. Die Gegenlochanordnung am Flansch56 kann so angepasst werden, dass jede gewünschte Ausrichtung des Knie möglich ist, um verschiedene Motorenanordnungen mit verschiedenen AGR-Leitungsarrangements zu berücksichtigen. - Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform enthält der Turbolader ein zweites Stellglied
86 zum Steuern der Turbineneinlassdüse44 mit variabler Geometrie, was ein Mittel zum Steuern des Staudrucks im Abgassystem und der Turbinenspirale darstellt, um die AGR-Strömungsrate in Kombination mit dem AGR-Ventil zu steuern. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das zweite Stellglied pneumatisch betätigt und ist mittels einer Halterung88 an dem Turbinengehäuse angebracht. Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform ist die Düse mit variabler Geometrie so aufgebaut, wie es im US-Patent Nr. 5,947,681 mit dem Titel "PRESSURE BALANCED DUAL AXLE VARIABLE NOZZLE TURBOCHARGER", ausgestellt am 07. September 1999 an den Inhaber der vorliegenden Anmeldung, dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, offenbart ist. - Nachdem die Erfindung nun detailliert beschrieben wurde, wie es von den Patentbestimmungen verlangt wird, werden für den Fachmann Modifikationen und Ersetzungen an den konkreten Ausführungsformen, die im vorliegenden Text offenbart wurden, erkennbar. Solche Modifikationen fallen in den Geltungsbereich und den Gedanken der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
Claims (5)
- Turbolader (
16 ) mit einem integralen Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil), der Folgendes aufweist: ein Turbinengehäuse (18 ) mit einem Abgaseinlass (50 ), der Abgas erhält, und mit einer Spirale (52 ) zum Leiten des Abgases zu einer Turbinendüse (44 ), wobei die Spirale einen Flansch (56 ) aufweist, der einen AGR-Auslass (54 ) enthält, der tangential zum Umfang der Spirale verläuft und im Wesentlichen linear auf eine Stromlinie des Abgases, das in den Einlass eintritt, ausgerichtet ist; eine AGR-Ventilbaugruppe, die Folgendes enthält: einen Gegenflansch (71 ) zur Eingriffnahme des AGR-Auslassflansches in einer ausgewählten von mehreren Ausrichtungen, ein Knie (72 ), das sich von dem Gegenflansch erstreckt, zum Anbringen an einer AGR-Leitung (40 ), wobei die Richtung der Anbringung des Knies an der AGR-Leitung durch die ausgewählte Ausrichtung des Gegenflansches bestimmt wird, ein verstellbares Ventil (34 ), das in dem Knie angebracht ist und wenigstens zwei Verstellpositionen aufweist: eine erste Position, die den AGR-Auslass schließt, und eine zweite offene Position, und Mittel zum Verstellen des Ventils zwischen der ersten und der zweiten Position. - Turbolader (
16 ) nach Anspruch 1, wobei das verstellbare Ventil (34 ) einen Teller (58 ) aufweist, der gegen einen Sitz abdichtet, der den AGR-Auslass umgibt. - Turbolader (
16 ) nach Anspruch 2, wobei der Teller (58 ) an einem Arm befestigt ist, der sich von einer drehbaren Achse (62 ) erstreckt, und wobei das Verstellmittel eine Kurbel (82 ), die sich von der Achse erstreckt, und ein Stellglied (76 ) aufweist, das dazu dient, die Kurbel zu positionieren und dabei die Achse zu drehen, wodurch die erste Position des Ventils den Teller an dem Sitz abdichtet und das Stellglied die Achse dreht, um den Teller in die zweite, offene Position zu schwenken. - Turbolader (
16 ) nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Stellglied (76 ) um ein pneumatisches Stellglied handelt. - Turbolader (
16 ) nach Anspruch 1, wobei die Düse (44 ) Mittel mit variabler Geometrie enthält, um den Staudruck in der Spirale zu steuern.
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